Тема 5.2. Реакция якоря см. Уравнение напряжений сг. Характеристики сг.

Если ОЯ в возбужденной вращающейся СМ замкнута на симметричную нагрузку, то в обмотке статора протекает симметричный трехфазный ток, который создает вращающуюся волну МДС. Эта волна МДС создает вращающийся магнитный поток якоря Фа, который вращается синхронно с ротором, следовательно, поток возбуждения Фв неподвижен относительно Фа и совместным действием создают результирующий магнитный поток в воздушном зазоре Ф_δ. При переходе от хх к режиму нагрузки поток Ф_δ изменяется (Важнейшая особенность СМ в режиме автономной работы). Магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря называется магнитным полем реакции якоря. Магнитное поле обмотки якоря есть результат действия ОВ. Магнитное поле реакции якоря воздействует на магнитное поле возбуждения. Степень этого воздействия зависит от следующих факторов: 1. Величина тока якоря (ток нагрузки); 2. Характер тока якоря (активный, индуктивный, емкостной); 3. Тип ротора (явно- и НЯ); 4. Магнитное состояние системы (насыщ. и ненасыщ.).

Реакция якоря неявнополюсной СМ.

Особенность НЯСМ – магнитная симметрия, т.к. воздушный зазор постоянен. Рассмотрим действие реакции якоря для трех случаев нагрузки активной, индуктивной, емкостной.

Ч исто активная нагрузка.

Угол ψ между ЭДС и током якоря = 0. На статоре расположена 1 Ф обмотка АХ, на роторе ОВ в виде одного витка. Т.к. угол ψ =0 то максимальное значение ЭДС и тока в фазе АХ наступает одновременно. Максимум ЭДС в фазе АХ имеет место, когда ось потока возбуждения Фв пересекает пазы занятые обмоткой АХ при положении ротора как на рис.2а, где продольная ось d совпадает с потоком возбуждения, ось q носит название поперечная ось смещена на 90º относительно продольной оси. Оси d и q вращаются вместе с ротором. Из рис.2а следует, что при чисто активной нагрузке поток реакции якоря направлен по поперечной оси q, т.е. реакция якоря имеет поперечны характер. На набегающие края полюса поток возбуждения Фв и поток реакции якоря Фа направлены одинаково и имеет место подмагничивание полюса. На сбегающем потоки направлены встречно – размагничивание сбегающего края полюса, т.к. обычно магнитная система насыщена, то преобладает эффект размагничивания, следовательно, при переходе от хх к режиму номинальной нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается примерно на 10% за счет размагничивающего действия реакции якоря.

Чисто индуктивная нагрузка.

Угол ψ между ЭДС и током якоря = 90º, т.о. максимум тока наступает спустя четверть периода после максимума ЭДС. Т.к. СМ двух полюсная, то 1 период ЭДС соответствует 1 обороту ротора. Поэтому максимум тока в фазе АХ наступит когда ротор повернется относительно своего положения на рис.2а на четверть оборота по направлению вращения. Магнитный поток реакции якоря направлен вдоль продольной оси d встречно магнитному потоку возбуждения, т.е. реакция якоря носит продольно размагничивающий характер. За счет действия продольно размагничивающего реакции якоря напряжение генератора при переходе от хх к номинальной нагрузке уменьшается на 25-30%.

Чисто емкостная нагрузка.

Угол ψ между ЭДС и током якоря = -90º, т.о. максимум тока наступает на четверть периода р аньше, чем максимум ЭДС, следовательно, в этот момент времени ротор будет недовернут до своего положения, показанного на рис.2а на четверть оборота.

Поток Фа направлен по продольной оси d согласно с потоком возбуждения Фв, т.е. реакция якоря имеет продольно намагничивающий характер. При переходе от хх к режиму номинальной нагрузки за счет продольно намагничивающей реакции якоря напряжение на зажимах возрастаетна 5-10%.

Уравнение напряжения СГ

МДС обмотки возбуждения F_f  создает магнитный поток Ф_f, который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней ЭДС Eo. МДС обмотки статора F_a1 создает поток реакции якоря Фа и поток рассеяния Фσ. Каждый из этих потоков сцеплен с обмоткой статора и наводит в ней ЭДС Ёа и Eσ соответственно. Сумма ЭДС, действующих в обмотке статора, определяет напряжение генератора за вычетом падения напряжения на активном сопротивлении^

г де х_а - индуктивное сопротивление реакции якоря; х_σ - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора.

г де х_с – полное индуктивное сопротивление якоря; z_c – внутреннее сопротивление генератора. Согласно последнему уравнению синхронный генератор можно представить источником ЭДС Ео с внутренним сопротивлением z_c. Геометрической интерпретацией этого уравнения являются векторные диаграммы. Угол Θ между векторами Ео и U₁ называют углом нагрузки. В генераторном режиме вектор Eo всегда опережает вектор U₁,и угол Θ считается положительным.

В генераторном режиме поток   опережает поток   на угол , чему соответствует сдвиг на тот же угол полюса ротора  относительно полюса N и результирующего поля машины. Силовые линии магнитного поля между полюсами показаны тонкими сплошными линиями. В генераторном режиме в результате взаимодействия полюсов   и Nобразуется противодействующий момент  .

Характеристики СГ.

К ним относится характеристика холостого хода (ххх), характеристика короткого замыкания (хкз), внешние характеристики, регулировочные характеристики, нагрузочные характеристики.

Х арактеристика холостого хода U₁ = f (I_В) при I₁ =0 и n = const определяет со­стояние магнитной цепи генератора. Для получения характеристики холостого хода ротор генератора вращают с номинальной частотой. Ток возбуждения генератора I_В изменяют от нуля до некоторого максимального значения, соответствующего U₁ = l.3U_H, а затем обратно от максимума до нуля. Вследствие явления гистерезиса и остаточного намагничивания характеристика холостого хода имеет вид узкой петли. За характеристику холостого хода принимают среднюю линию. Точка пересечения этой характеристики с осью ординат определяет остаточную ЭДС генератора Е_ост. При практическом использовании характеристики холостого хода она экстраполируется до пересечения с осью абсцисс и перемещается в начало координат. В таком виде она строится в относительных единицах. Базисному напряжению U_б = U_H соответствует по характеристике холостого хода базисный ток возбуждения I_fб =I_fo

Х арактеристика короткого замыкания I₁ = f(I_f) снимается при замыкании всех трех фаз обмотки якоря накоротко и при номинальной частоте вращения n₂ = n₁= const. Опыт начинается с наибольшего тока I₁ = 1,2I_н, постепенно снижаемого до нуля. Как следует из схемы замещения ток короткого замыкания:

Е сли пренебречь активным сопротивлением якоря, то внутреннее сопротивление якоря генератора в режиме короткого замыкания будет чисто индуктивным. Поэтому он будет содержать только продольную составляющую

создавая размагничивающую реакцию якоря F_ad (рис.5.22).

Суммарная МДС F=F₀ -F_ad уменьшается и, следовательно, уменьшается результирующий по ток Ф_d. Определяемая этим потоком ЭДС E_d=Eo- E_ad численно равна ЭДС рассеяния поскольку сумма всех ЭДС в режиме короткого замыкания равна нулю.

в режиме короткого замыкания при токах статора, близких к номинальному, магнитная цепь генератора не насыщена, а следовательно, характеристика короткого замыкания I₁ =f(I_f) является линейной. Характеристика короткого замыкания (х.к.з.) совместно с характеристикой холостого хода (х.х.х.) используется для определения полного индуктивного сопротивления якоря по продольной оси x_d.

Ток короткого замыкания I_К при напряжении холостого хода, равном номинальному, выражают в относительных единицах и называют отно­шением короткого замыкания (ОКЗ),

ОКЗ так же, как и x_d, определяет перегрузочную способность генератора (величину наибольшей нагрузки, которую способен нести генератор). Чем больше ОКЗ, тем больше эта нагрузка. Величина ОКЗ у турбогенераторов составляет 0,4–1,0 о.е., а у гидрогенераторов – 0,8-1,8 о.е.

В нешней характеристикой называется зависимость напряжения генератора от тока якоря U₁=f(I₁) при постоянных токе возбуждения, частоте вращения и угле нагрузки (If = const, n = const, φ=const). Внешние характеристики показывают, как изменяется напряжение генератора при увеличении нагрузки с заданным cosφ, если ток возбуждения остается неизменным.

Различие во внешних характеристиках объясняется разным действием реакции якоря. При отстающем токе (φ > 0) существует значительная продольная размагничивающая реакция якоря (рис.5.13, а), поэтому с увеличением нагрузки напряжение генератора U₁ снижается. При чисто активной нагрузке (φ = 0) также имеет место продольная размагничивающая реакция якоря (так как ψ > 0), но она выражена слабее и снижение напряжения U₁ происходит медленнее.

При опережающем токе (φ < 0) возникает намагничивающая реакция якоря (рис.5.13, б). Поэтому в рабочем диапазоне изменения тока нагрузки напряжение генератора выше, чем при холостом ходе.

Все характеристики сходятся в точке короткого замыкания (U₁ =0, I₁ = I_k), не зависящей от характера нагрузки. С помощью внешней характеристики определяется изменение напряжения генератора ΔU при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу или обратно. Величина ΔU обычно составляет 20- 30% U_H. Она тем больше, чем больше внутреннее сопротивление генератора.

Р егулировочной характеристикой генератора называется зависимость тока возбужде­ния от тока якоря I_f = f(I₁) при постоянных напряжении генератора, частоте вращения и угле нагрузки (U₁ = const, n = n₁ = const, φ = const). Регулировочная характеристика показывает, как нужно регулировать ток возбуждения генератора, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. Опыт­ное определение регулировочных характеристик происходит путем постепенного увеличения нагрузки генератора при неизменном коэффициенте мощности cosφ. При этом ток возбуж­дения регулируется таким образом, чтобы напряжение U₁ оставалось неизменным  Семейство регулировочных характеристик для разного типа нагрузки представлено на рис. 5.25. При активно-индуктивной нагрузке (φ≥ 0) для компенсации размагничивающего действия реакции якоря необходимо увеличивать ток возбуждения, а при активно-емкостной нагрузке (φ < 0), наоборот, чтобы поддерживать напряжение генератора на заданном уровне, необходимо ток возбуждения уменьшать, поскольку реакция якоря оказывает намагничи­вающее действие. При работе генератора на чисто емкостную нагрузку напряжение генератора может появиться даже при отсутствии тока возбуждения. Это явление называется самовозбуждением синхронного генератора.

Н агрузочной характеристикой называется зависимость напряжения генератора от тока воз­буждения U₁ = f(I_f) при постоянных токе якоря, частоте вращения и угле нагрузки (I₁=const, n = n₁=const, φ = const). Существует большое семейство нагрузочных характеристик, охватывающее все многообразие нагрузок генератора, но практический интерес представляет лишь индукционная нагрузочная характеристика, которая сни­мается при I₁= I_н и φ= 90^о. Нагрузочная характеристика при Iн = Iном (кривая 2) проходит ниже характеристики холостого хода (кривая 1), которую можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iн = 0. Разность ординат кривых 1 и 2 обусловлена размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения во внутреннем сопротивлении ∑r машины. Наглядное представление о влиянии этих факторов дает характеристический, или реактивный, треугольник ABC. Это позволяет строить нагрузочные характеристики при разных токах, изменяя лишь величину всех сторон треугольника ABC. Если вершину С характеристического треугольника, построенного для некоторого тока Iн, совместить с характеристикой 1 холостого хода, а затем перемещать треугольник по этой характеристике так, чтобы катет ВС оставался параллельным оси абсцисс, то след вершины А даст приближенно искомую нагрузочную характеристику 2 при заданной величине тока Iн. Эта характеристика будет несколько отличаться от реальной характеристики 3 (которая может быть снята опытным путем), так как величина катета ВС характеристического треугольника будет изменяться вследствие изменения условий насыщения. Используя характеристику холостого хода, с помощью характеристического треугольника могут быть построены и другие характеристики генератора: внешняя и регулировочная.

З ависимость тока якоря от тока возбуждения (рис. 5.17) называется U-образной характеристикой синхронной машины. Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1. При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря I_a возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей.

На рис. проведена пунктирная линия, в точках пересечения которой с U-образными характеристиками cosφ равен единице. Слева и справа от этой линии cosφ меньше единицы. Слева ток якоря содержит отстающую составляющую по отношению сети, справа — опережающую. Обычно двигатели работают с перевозбуждением, т. е. с. опережающим током при cosφ = 0,9. U-образная характеристика имеет место также у синхронных генераторов, работающих параллельно с сетью.

В некоторых случаях ненагруженную синхронную машину включают на работу в режиме перевозбуждения для того, чтобы она отдавала в сеть реактивную мощность. Действие перевозбужденной синхронной машины на сеть эквивалентно присоединению к питающей сети емкости. При этом оказывается возможным компенсировать в системе сдвиг фаз между током и напряжением, создаваемый асинхронными двигателями. Синхронную машину для работы вхолостую в режиме перевозбуждения, называют компенсатором.

Синхронные компенсаторы применяют для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, обеспечения устойчивости энергосистем.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.

Синхронный двигатель при перевозбуждении потребляет опережающий реактивный ток, а при недовозбуждении потребляет отстающий реактивный ток. Здесь фаза тока определяется относительно напряжения сети, которое принимается направленным прямо противоположно напряжению на зажимах машины в режиме генератора. Поэтому перевозбужденная синхронная машина может рассматриваться как емкость, а недовозбужденная синхронная машина — как индуктивность, включенная в сеть.

Понятия «перевозбуждение» и «недовозбуждение» синхронных машин вполне определяют их работу в отношении фазы реактивного тока.

Рис. 6.47. Рабочие характеристики синхронного двигателя

Р абочие характеристики (рис. 6.47). Они представляют собой зависимости тока I_a , электрической мощности Р₁ , поступающей в обмотку якоря, КПД η и cos φ от отдаваемой механической мощности Р₂ при U_c = const, f_c = const и I_в = const. Часто эти характеристики строят в относительных единицах. Поскольку частота вращения двигателя постоянна, зависимость n₂ = f(P₂) обычно не приводится; не приводится также и зависимость М =f(P₂), так как вращающий момент М пропорционален Р₂. Зависимость P₁ = f (P₂ ) имеет характер, близкий к линейному.

Ток двигателя при холостом ходе является практически реактивным. По мере роста нагрузки возрастает активная со­ставляющая тока, в связи с чем зависимость тока I_а от мощности Р₂является нелинейной. Кривая η =f(P₂) имеет характер, общий для всех электрических машин. Синхронные двигатели могут работать при cos φ = 1, но обычно их рассчитывают на работу при номинальной нагрузке с опережающим током и cos φ_ном =0,9 ÷ 0,8. В этом случае улучшается суммарный cos φ сети, от которой питаются синхронные двигатели, так как создаваемая ими опережающая реактивная составляющая тока I_а компенсирует отстающую реактивную составляющую тока асинхронных двигателей. Зависимость cos φ = f(P₂) при работе машин с перевозбуждением имеет максимум в области Р₂ > Р_ном . При снижении Р₂ значение cos φ уменьшается, а отдаваемая в сеть реактивная мощность возрастает.

Электромагнитный момент синхронного двигателя

M =	3E0U	sin θ.
	Ωхс

Рис. 11.10. Угловая характеристика синхронного двигателя

Как видно, при постоянных значениях U, Е, ω и х_с момент двигателя прямо пропорционален sin θ. Зависимость М (θ) называется угловой характеристикой синхронного двигателя и приведена на рис. 11.10 в первом квадранте.

В пределах от θ = 0 до θ = 90° расположена устойчивая часть характеристики, называемая так потому, что именно здесь возможна устойчивая работа двигателя с различными моментами сопротивления. Любое изменение момента сопротивления М_с при работе на устойчивой части характеристики приводит к такому изменению момента двигателя М, при котором неизбежно наступает равенство моментов М и М_с . На устойчивой части характеристики расположена точкаА, соответствующая номинальному режиму работы. При номинальном режиме θ_ном = 20 ÷ 30°.

Максимальный момент, который в состоянии развивать двигатель, наступает при θ = 90°:

Если момент сопротивления М_с окажется больше момента М_max, то двигатель не в состоянии будет его уравновесить и остановится.

Отношение М_max/М_ном называется перегрузочной способностью двигателя и для различных двигателей лежит в пределах 2 — 3,2.

Так как при изменении нагрузки двигателя происходит лишь относительно небольшое смещение ротора относительно вращающегося поля (изменение угла θ), то механическая характеристика синхронного двигателя представляется линией, параллельной оси абсцисс (рис. 11.11). Двигатель имеет постоянную частоту вращения при изменении момента вплоть до максимального значения.